Fusibles et disjoncteurs Résumé Cet article analyse divers systèmes de protections des hommes et des installations : fusibles, disjoncteurs thermiques et magnétiques et disjoncteurs différentiels, et montre l'intérêt de chacun de ces appareils. Les disjoncteurs ont pour but de protéger : les installations, de courants d'intensités trop élevées susceptibles de les endommager ; les hommes, de l'électrocution. Protection des installations La protection des installations se fait grâce à un système qui coupe le courant lorsqu'il dépasse un seuil jugé dangereux (fusion des circuits, incendie...) pour les instruments électriques à travers lesquels ce courant passe. Fusibles Le système le plus élémentaire est celui du fusible, qui fond dès que l'intensité du courant devient trop élevée, coupant ainsi le circuit. Le fusible le plus simple est constitué par un fil de plomb en contact avec l'air extérieur, et intégré dans le circuit à protéger. Sous l'effet du courant traversant le circuit, le fusible s'échauffe d'autant plus que l'intensité est élevée. Le rayon du fusible est calculé pour que ce-dernier fonde dès que l'intensité atteint la valeur maximale autorisée pour l'installation considérée. Les fusibles peuvent prendre des formes différentes, toutes basées sur le même principe. On voit de moins en moins de fils fusibles "à l'air libre", car la majorité des fusibles sont maintenant le plus souvent constitués d'un fil à l'intérieur d'un cylindre en céramique (on les retrouve à l'intérieur des prises, sur certains tableaux électriques, etc.), ou encore dans un cylindre en verre (ces fusibles sont souvent utilisés dans les circuits électroniques). D'autres types de fusibles existent : citons pour mémoire les fusibles à lamelle et les fusibles à languette, utilisés essentiellement dans les circuits de démarrage automobile, et dont le principe de fonctionnement est semblable au précédent. Enfin, une variété plus récente de fusibles utilise un matériau explosif. Lorsque le courant est trop élevé, ce matériau explose, poussant de ce fait un piston qui va couper le circuit. L'inconvénient majeur du système de fusibles est qu'à chaque fois que le courant est coupé, il faut changer le fusible. Les fusibles dans lesquels le fil n'est pas visible (fusibles en céramique en particulier) doivent en outre être testés pour savoir s'ils sont bien responsables de la rupture du courant dans le circuit.
Disjoncteurs Principe Le disjoncteur est un interrupteur qui coupe le circuit à chaque fois que l'intensité du courant est trop élevée. Avec ce système, pas de fusible à changer : remettre l'installation sous tension se fait simplement en remettant l'interrupteur en position " on ", bien entendu après avoir d'abord éliminé le défaut à l'origine de l'élévation d'intensité détectée. Les disjoncteurs les plus simples utilisent un électroaimant ou une bilame métallique. L'électroaimant, lorsque l'électricité augmente, produit un champ magnétique qui, au-delà d'une certaine intensité, va devenir assez fort pour faire basculer l'interrupteur. La bilame métallique est un dispositif qui utilise deux lames métalliques accolées de coefficients de dilatation différents. Sous l'effet du passage du courant, les métaux chauffent, la lame se courbe, et déplace l'interrupteur qui coupe le courant. Figure 1. En haut, la bilame non chauffée. En bas, la bilame chauffée : les métaux se dilatent de façons différentes. Si on suppose que le métal qui se trouve sur le dessus de la bilame (en orange sur le dessin) se dilate moins que celui qui se trouve au-dessous, la bilame se courbe vers le haut. En fait, ces deux types de disjoncteurs n'ont pas exactement le même type de comportement. L'électroaimant coupe le courant rapidement en présence d'une forte surcharge (typiquement, un centième à un dixième de seconde). Il convient donc parfaitement pour une surcharge subite et intense. Etude d'un disjoncteur type : Voici ci-dessous deux photos d'un disjoncteur à électroaimant et bilame métallique (il s'agit donc d'un disjoncteur magnétothermique), en position "on" et en position "off". Ce disjoncteur est un vieux disjoncteur jeté au rebut qui a été récupéré et démonté :
Figure 2. Disjoncteur en position "off" 1. bilame métallique 2. électroaimant (presque entièrement caché sur la photo) 3. contacts (ici, le disjoncteur est en position "off", le circuit est donc ouvert, et on voit nettement entre les deux contacts une partie noircie, qui n'est pas surprenante puisqu'il s'agit d'un disjoncteur qui a dû être jeté au rebut) 4. chambre de coupure 5. interrupteur Figure 3. Disjoncteur en position "on" Sur cette photo, contrairement à la précédente, le circuit est fermé. Pour faire fonctionner le système, cependant, on a eu besoin de garder une partie du couvercle (qui permet de maintenir les axes des rouages en place et donc de faire fonctionner le tout correctement) que l'on voit dans la partie supérieure de la photo.
Ces images appellent quelques commentaires et précisions... Voici une image de l'électroaimant vu de près : Figure 4. photo de l'électroaimant contenu dans le disjoncteur La tige métallique que l'on voit sortir à droite de l'électroaimant est reliée à un petit noyau métallique mobile à l'intérieur de la bobine. Ce noyau -et donc la tige- se déplace vers la gauche lorsque le courant augmente. La tige entraine alors le contact et coupe le courant. L'ensemble 3 et 4 correspond à la "chambre de coupure". Lorsque le disjoncteur se déclenche, un arc électrique se crée au niveau où le contact est rompu. Cet arc électrique se crée entre les deux contacts puis, pour éviter qu'il n'endommage le disjoncteur, est guidé vers l'élément numéro quatre. Cet élément est composé de nombreuses petites languettes de cuivre, les déions, qui divisent l'arc électrique en plusieurs sous-arcs. Figure 5. Vue de plus près des "déions"
En fait, le disjoncteur est un peu plus complexe que ce qui est visible ici. Il possède une deuxième partie, en-dessous de celle qui est photographiée, avec une deuxième chambre de coupure et quelques rouages supplémentaires. Figure 6. Deuxième face du disjoncteur 1. et 1'. Lieu d'arrivée et de départ du courant 2. Electroaimant 3. Contacts 4. Chambre de coupure Cependant, l'existence de cette deuxième partie, si elle rend le système un peu plus complexe, n'en change pas le principe. Protection des hommes Principe Les systèmes de protection des installations ne protègent pas toujours efficacement les hommes de l'électrocution. Prenons le cas d'un appareil électrique dans lequel le fil de phase vient à toucher la carrosserie de l'appareil. Un homme qui touche cette-dernière est alors électrocuté par un courant qui va passer à travers sa main, son corps, et arriver à la terre par ses pieds. Dans cette circonstance, cependant, l'intensité traversant le circuit ne va pas dépasser les normes autorisées (comme c'est le cas dans le cas d'un court-circuit) et le disjoncteur ne va pas se déclencher. Pour protéger les hommes, il ne suffit donc pas de détecter l'intensité du courant traversant le circuit, il faut aussi détecter les " fuites " de courant (en l'occurrence, à travers la personne qui touche à la carrosserie de l'appareil défecteux) et couper le courant dès qu'une telle fuite est détectée. C'est ce que fait le disjoncteur différentiel.
Fonctionnement Un fil électrique isolé traversé par un courant électrique crée un champ magnétique autour de lui. Si deux fils traversés par le même courant, mais dans le sens opposé, sont placés tout près l'un de l'autre, les champs magnétiques créés par ces deux fils se compensent, donc le champ magnétique total est nul. Si, par contre, une différence d'intensité existe entre les courants qui traversent les deux fils précédents, le champ résultant induit est non nul. Dans un disjoncteur différentiel, la phase et le neutre, placés côte à côte, passent à travers une bobine annulaire reliée à un dispositif qui coupe le courant dans l'installation si la bobine est traversée par un courant. Figure 7. Bobine traversée par la (les) phase(s) et le neutre à l'intérieur d'un disjoncteur différentiel 1. et 1'. entrée et sortie du courant. Il y a 4 fils, correspondant aux trois phases et au neutre. D'un côté (1), le système est relié à l'interrupteur qui va couper le courant en cas de problème. De l'autre (1'), le système est relié à l'installation électrique de la maison. 2. Bobine (on voit le fil de bobinage à droite, enroulé entour du tore blanc) Si tout est normal dans l'installation, les intensités " entrant " et " sortant " de l'installation (par 1 et 1'), donc les intensités traversant la phase et le neutre, sont égales, et aucun champ magnétique n'est créé. Dans ces conditions, la bobine (2) n'est parcourue par aucun courant. Si une fuite de courant apparaît, au contraire, la différence entre la phase et le neutre devient non nulle, un champ magnétique apparaît, qui va induire un courant électrique dans la bobine (2) : un dispositif, visible au fond sur la photo, et détaillé dans la photo ci-dessous, coupe alors le courant.
Figure 8. Dispositif de coupure du courant : le courant vient de la bobine (2) via les fils (3). Ils alimentent la bobine (4)(électroaimant) qui, lors d'une fuite de courant, va attirer (5) et faire tourner le système autour de l'axe (6). Cet axe met en branle des rouages qui coupent le circuit. Les installations électriques d'une maison sont équipées (normalement!) des deux types de disjoncteurs : ils se complètent et permettent ainsi de protéger, et les installations, et les hommes...